JP5003733B2 - Single crystal growth method - Google Patents

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Description

本発明は単結晶成長方法、特に坩堝を挟んで対向配置されたコイルにより坩堝内の原料融液に水平磁場を印加しつつ前記原料融液から単結晶を引上げる、水平磁場印加CZ法(HMCZ法:Horizontal Magnetic field applied CZ法)と呼ばれる単結晶成長方法に関する。   The present invention relates to a single crystal growth method, in particular, a horizontal magnetic field application CZ method (HMCZ) in which a single crystal is pulled from the raw material melt while applying a horizontal magnetic field to the raw material melt in the crucible by coils arranged oppositely across the crucible. This method relates to a single crystal growth method called Horizontal Magnetic field applied CZ method.

半導体基板に使用されるシリコン単結晶の製造方法には種々の種類があるが、工業的に広く用いられているのは回転引上げ法であるCZ法(チョクラルスキー法)である。CZ法によるシリコン単結晶の製造では、図7に示すような結晶成長装置が使用される。この結晶成長装置は、原料融液であるシリコン融液13を収容する坩堝1と、坩堝1の外側に配置された環状の抵抗式ヒータ2とを備えている。坩堝1は、内側の石英坩堝1aと外側の黒鉛坩堝1bとを組み合わせた二重構造であり、昇降及び回転が可能な支持軸6の上に載置されている。この坩堝1は、外側のヒータ2などと共に図示されないチャンバ内に収容されている。   There are various types of methods for producing a silicon single crystal used for a semiconductor substrate, and the CZ method (Czochralski method) which is a rotational pulling method is widely used industrially. In the production of a silicon single crystal by the CZ method, a crystal growth apparatus as shown in FIG. 7 is used. This crystal growth apparatus includes a crucible 1 that contains a silicon melt 13 that is a raw material melt, and an annular resistance heater 2 disposed outside the crucible 1. The crucible 1 has a double structure in which an inner quartz crucible 1a and an outer graphite crucible 1b are combined, and is placed on a support shaft 6 that can be moved up and down and rotated. The crucible 1 is housed in a chamber (not shown) together with an outer heater 2 and the like.

操業では、ワイヤなどからなる引上げ軸5に吊り下げられた種結晶15を坩堝1内のシリコン融液13に浸漬する。そして坩堝1及び引上げ軸5を逆方向又は同方向に回転させながら引上げ軸5を上昇させて種結晶15を引上げることより、種結晶15の下方にシリコン単結晶12を育成する。シリコン単結晶12の育成に伴うシリコン融液13の液面低下を相殺して、その液面レベルを一定に維持するために、坩堝1を徐々に上昇させる。   In operation, the seed crystal 15 suspended on the pulling shaft 5 made of a wire or the like is immersed in the silicon melt 13 in the crucible 1. Then, the silicon single crystal 12 is grown under the seed crystal 15 by raising the pulling shaft 5 while rotating the crucible 1 and the pulling shaft 5 in the reverse direction or the same direction to pull up the seed crystal 15. The crucible 1 is gradually raised in order to offset the lowering of the liquid level of the silicon melt 13 accompanying the growth of the silicon single crystal 12 and maintain the liquid level constant.

更に詳しく説明すると、チャンバ内を所定の真空度に減圧し、且つ所定の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、坩堝1内の固形原料を坩堝1の外側に配置されたヒータ2により溶かして坩堝1内にシリコン融液13を形成する。種結晶15を原料融液13に漬けた後、種結晶15に元から含まれる転位や着液時の熱ショックで導入される転位を除去するために、種結晶15を直径3mm程度まで細く絞る。この種絞り工程(ネッキング工程)の後、所定の径まで徐々に増径する肩部形成工程(増径工程)を経て直胴部の引上げを開始する。   More specifically, the crucible is prepared by melting the solid material in the crucible 1 with the heater 2 disposed outside the crucible 1 in a state where the pressure in the chamber is reduced to a predetermined degree of vacuum and maintained in a predetermined inert gas atmosphere. A silicon melt 13 is formed in 1. After the seed crystal 15 is immersed in the raw material melt 13, the seed crystal 15 is narrowed down to about 3 mm in diameter in order to remove dislocations originally contained in the seed crystal 15 and dislocations introduced by heat shock during landing. . After the seed drawing process (necking process), the straight body part is started to be pulled up through a shoulder forming process (diameter increasing process) in which the diameter is gradually increased to a predetermined diameter.

このようなCZ法によるシリコン単結晶の製造では、前述したとおり、原料融液を収容する容器として石英坩堝を使用するのが通例になっている。この石英坩堝はシリコン融液と接するとこの融液と反応して酸素を放出する。融液中に放出された酸素は、その一部が引上げ中に単結晶中に取り込まれ、シリコンウエーハの品質に様々な影響を及ぼす。このため、シリコン融液中の酸素濃度の制御が重要な技術となる。   In the production of such a silicon single crystal by the CZ method, as described above, it is customary to use a quartz crucible as a container for containing a raw material melt. When this quartz crucible comes into contact with the silicon melt, it reacts with the melt and releases oxygen. A part of the oxygen released into the melt is taken into the single crystal during pulling, and has various effects on the quality of the silicon wafer. For this reason, control of the oxygen concentration in the silicon melt is an important technique.

CZ法における原料融液中の酸素濃度を制御する方法の一つとして、磁場印加CZ法(MCZ法: Magnetic field applied CZ法)がある。この方法は坩堝内の原料融液に磁場を印加することにより、磁力線に直交する方向の融液対流を抑制して、酸素の溶出を抑制するものである。磁場の印加方法には種々の種類があるが、特に水平方向に磁場を印加するHMCZ法の実用化が進んでいる。   As one of methods for controlling the oxygen concentration in the raw material melt in the CZ method, there is a magnetic field applied CZ method (MCZ method: Magnetic field applied CZ method). In this method, by applying a magnetic field to the raw material melt in the crucible, melt convection in the direction perpendicular to the magnetic field lines is suppressed, and oxygen elution is suppressed. There are various types of magnetic field application methods, and the practical application of the HMCZ method in which a magnetic field is applied in the horizontal direction is in progress.

HMCZ法に用いられる結晶成長装置は、図8及び図9に示すように、磁場印加のために、チャンバ7の外側に当該チャンバを挟んで対称的に対向配置された一組のコイル30a,30bを備えている。チャンバ7は、坩堝1などのホットゾーンを収容する大径筒状のメインチャンバ7aと、育成された単結晶を収容するためにメインチャンバ7aの中心部上に重ねられた小径長尺のプルチャンバ7bとからなり、一組のコイル30a,30bは、メインチャンバ7aの外側に、チャンバ中心と交差する水平線上に同軸に並んで配置されている。一方、メインチャンバ7aの内部には、坩堝1及びヒータ2の他に、断熱材8aがメインチャンバ7aの周壁内面に沿って配設されると共に、断熱材8bが底部表面に沿って配設されている。   As shown in FIGS. 8 and 9, the crystal growth apparatus used in the HMCZ method is a set of coils 30a and 30b that are symmetrically arranged opposite to each other with the chamber interposed outside the chamber 7 in order to apply a magnetic field. It has. The chamber 7 includes a large-diameter cylindrical main chamber 7a that accommodates a hot zone such as the crucible 1, and a small-diameter long pull chamber 7b that is stacked on the center of the main chamber 7a to accommodate the grown single crystal. The pair of coils 30a and 30b are arranged on the outside of the main chamber 7a so as to be coaxially arranged on a horizontal line intersecting with the center of the chamber. On the other hand, in addition to the crucible 1 and the heater 2, a heat insulating material 8a is disposed along the inner surface of the peripheral wall of the main chamber 7a, and a heat insulating material 8b is disposed along the bottom surface inside the main chamber 7a. ing.

水平方向の磁場を形成するコイルの形状は、通常は横向きの円環状であるが、メインチャンバの外形に沿って鞍型に湾曲したものも特許文献1に記載されている。双方のコイル中心を結ぶ線の位置に関しては、通常は特許文献2に記載されているように、坩堝内の原料融液の表面に概ね一致するレベルに設定されるが、原料融液へ印加される磁場強度の均一性向上を目的として、原料融液の表面より下方、具体的には、坩堝内の原料融液における深さ方向の中心部近傍に位置させる技術も特許文献3に記載されている。なお、本明細書では双方のコイル中心を結ぶ線をコイルの中心線と呼び、図9中にC−Cで示す。   The shape of the coil that forms the horizontal magnetic field is usually a laterally annular shape, but Patent Document 1 also describes a coil that is curved in a saddle shape along the outer shape of the main chamber. The position of the line connecting both coil centers is usually set to a level that substantially matches the surface of the raw material melt in the crucible, as described in Patent Document 2, but is applied to the raw material melt. For the purpose of improving the uniformity of the magnetic field strength, Patent Document 3 also describes a technique of positioning below the surface of the raw material melt, specifically, near the center in the depth direction of the raw material melt in the crucible. Yes. In this specification, a line connecting both coil centers is referred to as a coil center line, and is indicated by CC in FIG.

特開平8−333190号公報JP-A-8-333190 米国特許第4565671号明細書US Pat. No. 4,565,671 特許第2949437号公報Japanese Patent No. 2949437

HMCZ法において鞍型に湾曲したコイルを使用することにより、平面的な通常コイルを使用する場合と比べて、小さい起磁力で同じ強度の磁界を発生でき、コイルを小型化できるなどの利点がある。しかしながら、その利点の一方で次のような問題がある。   By using a coil that is curved in a saddle shape in the HMCZ method, it is possible to generate a magnetic field of the same strength with a small magnetomotive force and to reduce the size of the coil, compared to the case of using a planar normal coil. . However, on the other hand, there are the following problems.

鞍型コイルを用いたHMCZ法を、内径500mm以上の大口径坩堝による直径200mm以上の大径単結晶引上げに適用すると、引上げ中に突然結晶径が急増するという、鞍型コイルに特有の現象が発生することが判明した。このような結晶径の急増現象が生じると、所望の結晶品質が得られないばかりか、引上げ操作そのものが不可能になるおそれがある。このため、鞍型コイルを用いたHMCZ法においては、結晶径の急増現象を阻止することが重要な技術課題となる。   When the HMCZ method using a saddle-type coil is applied to pulling a large-diameter single crystal having a diameter of 200 mm or more with a large-diameter crucible having an inside diameter of 500 mm or more, a phenomenon peculiar to a saddle-type coil that the crystal diameter suddenly increases during the pulling. It was found to occur. When such a sudden increase in the crystal diameter occurs, the desired crystal quality cannot be obtained, and the pulling operation itself may be impossible. For this reason, in the HMCZ method using a saddle type coil, it is an important technical problem to prevent the phenomenon of rapid increase in crystal diameter.

また、コイルの形状に関係なく、HMCZ法では坩堝の回転数が低いことが望まれる。なぜなら、HMCZ法においては、坩堝回転数が高くなると、融液が坩堝と共に回転しようとする作用と、その融液が磁場の影響により停止しようとする作用とが同時に起こるため、融液は不安定になり、酸素濃度の面内分布が悪化するなどの問題を生じるからである。この問題のため、HMCZ法において採用する坩堝回転数は低い方が望ましいとされている。   In addition, regardless of the shape of the coil, it is desirable that the rotation speed of the crucible be low in the HMCZ method. This is because in the HMCZ method, when the crucible rotation speed increases, the action of the melt to rotate with the crucible and the action of the melt to stop due to the influence of the magnetic field occur at the same time. This is because problems such as deterioration of the in-plane distribution of oxygen concentration occur. Because of this problem, a lower crucible rotational speed adopted in the HMCZ method is desirable.

ところが、坩堝回転数は酸素濃度を制御する重要なファクターの一つであり、坩堝の回転数を高めると結晶中の酸素濃度が上昇する傾向があり、結晶成長後半で坩堝回転数を高めることにより、結晶軸方向で酸素濃度を均一化する操作が行われる。このため、結晶成長後半で酸素濃度の面内分布が悪化する問題がある。このようなことから、坩堝回転数を高めずに応答性よく酸素濃度を上昇させ得る手法の開発が待たれている。   However, the crucible rotation speed is one of the important factors for controlling the oxygen concentration. Increasing the crucible rotation speed tends to increase the oxygen concentration in the crystal. By increasing the crucible rotation speed in the latter half of the crystal growth, An operation for making the oxygen concentration uniform in the crystal axis direction is performed. For this reason, there is a problem that the in-plane distribution of the oxygen concentration deteriorates in the latter half of the crystal growth. For this reason, development of a technique capable of increasing the oxygen concentration with high responsiveness without increasing the crucible rotation speed is awaited.

本発明の目的は、鞍型コイルを用いたHMCZ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止して、安定な結晶引上げを可能にする単結晶成長方法を提供することにある。本発明の他の目的は、坩堝回転数を高めずに酸素濃度を上昇させることができる単結晶成長方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a single crystal growth method that prevents a sudden increase in crystal diameter during pulling, which is a problem in the HMCZ method using a saddle coil, and enables stable crystal pulling. Another object of the present invention is to provide a single crystal growth method capable of increasing the oxygen concentration without increasing the crucible rotation speed.

本発明者らは、鞍型コイルを用いたHMCZ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止することを目的として、その急増現象に影響する諸因子について調査検討を行った。その結果、以下の事実が判明した。   The present inventors investigated and examined various factors affecting the rapid increase phenomenon for the purpose of preventing the rapid increase phenomenon of the crystal diameter during pulling, which is a problem in the HMCZ method using a saddle coil. As a result, the following facts were found.

同じHMCZ法でも、平面的な通常コイルを使用した場合は、鞍型コイルを使用した場合に結晶径の急増現象を生じるコイル位置でも、結晶径の急増現象は生じない。即ち、結晶径の急増現象は、鞍型コイルを使用した場合に固有の現象である。その詳細な理由は不明であるが、各コイルを使用した場合の磁束分布形状の違いが影響していると考えられる。   Even in the same HMCZ method, when a planar normal coil is used, a crystal diameter sudden increase phenomenon does not occur even at a coil position where a crystal diameter rapid increase phenomenon occurs when a saddle type coil is used. That is, the sudden increase in crystal diameter is a phenomenon that is inherent when a saddle coil is used. Although the detailed reason is unknown, it is thought that the difference of the magnetic flux distribution shape when using each coil has influenced.

この結晶径の急増現象には、坩堝内の融液量、その時点の坩堝回転数、及びコイル中心線の融液表面からの距離が影響する。即ち、結晶径の急増現象は、坩堝内の残液量と坩堝回転数とが特定の関係を満足したときに発生し、その関係は、坩堝内の残液量が減少するに従って、結晶径の急増現象を生じる坩堝回転数が低下するものとなる。そして、この関係には、コイル中心線の融液表面からの距離が影響しており、この距離が大きくなるほど、即ち、コイル中心線が融液表面から下がるほど、結晶径の急増現象は抑制される傾向となる。   This rapid increase in crystal diameter is influenced by the amount of melt in the crucible, the number of revolutions of the crucible at that time, and the distance of the coil center line from the melt surface. That is, the sudden increase in crystal diameter occurs when the amount of residual liquid in the crucible satisfies the specific relationship between the number of revolutions of the crucible, and this relationship increases as the amount of residual liquid in the crucible decreases. The crucible rotation speed causing the rapid increase phenomenon is reduced. This relationship is influenced by the distance from the melt surface of the coil center line. The larger the distance, that is, the lower the coil center line from the melt surface, the more rapidly the crystal diameter increases. Tend to be.

図3は内径が750mmの石英坩堝で、直径が300mmの単結晶を引上げた場合の結晶径急増条件を示す図表であり、横軸は坩堝内の残液量、縦軸は坩堝回転数を表している。同図から分かるように、坩堝内の残液量が少なくなるほど、低い坩堝回転数で結晶径の急増が生じるが、その一方で、結晶径の急増を生じる回転数は、コイル中心線の位置が下がるほど低下する。そして、このような関係を基にして更に調査を続けた結果、コイル中心線が融液表面から100mm以上下に下がった位置にあれば、坩堝に充填可能な融液量の範囲においては、如何なる坩堝回転数であっても、結晶径の急増は生じないことが判明した。   FIG. 3 is a chart showing conditions for rapidly increasing the crystal diameter when a quartz crystal with an inner diameter of 750 mm and a single crystal with a diameter of 300 mm is pulled up. The horizontal axis represents the amount of liquid remaining in the crucible, and the vertical axis represents the number of revolutions of the crucible. ing. As can be seen from the figure, the smaller the amount of residual liquid in the crucible, the sharper the crystal diameter increases at a lower crucible rotational speed. On the other hand, the rotational speed at which the crystal diameter rapidly increases is the position of the coil center line. Decreases as it falls. As a result of further investigation based on such a relationship, as long as the coil center line is at a position lower than the melt surface by 100 mm or more, there is no limitation on the amount of melt that can be filled in the crucible. It was found that there was no sharp increase in crystal diameter even at the crucible rotation speed.

また、図4は前述の引上げ条件において、融液表面からコイル中心線までの距離を変化させた場合の、結晶長200mmの箇所における酸素濃度を比較したものである。同じ酸素濃度パラメータ(坩堝回転数、炉内圧、不活性ガス流量など)を用いた場合、鞍型コイルの中心線位置を変更すると、酸素濃度も変化することが分かる。より具体的には、鞍型コイルの中心線位置が低いほど酸素濃度が高くなる。その結果、坩堝の回転数を低位に抑制したままで、酸素濃度を高めることが可能となり、坩堝の回転数を高めることによる酸素濃度の面内分布の悪化等が回避される。   FIG. 4 is a comparison of oxygen concentrations at a crystal length of 200 mm when the distance from the melt surface to the coil center line is changed under the pulling conditions described above. It can be seen that when the same oxygen concentration parameters (crucible speed, furnace pressure, inert gas flow rate, etc.) are used, the oxygen concentration also changes when the center line position of the saddle coil is changed. More specifically, the lower the center line position of the saddle coil, the higher the oxygen concentration. As a result, it is possible to increase the oxygen concentration while keeping the rotational speed of the crucible at a low level, and the deterioration of the in-plane distribution of the oxygen concentration due to the increased rotational speed of the crucible is avoided.

本発明の単結晶成長方法は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、坩堝を挟んで対向配置されたコイルにより、チャンバ内の坩堝に収容された原料融液に水平磁場を印加しつつ、前記原料融液から単結晶を引上げる単結晶成長方法において、前記コイルの形状を、前記チャンバの外形に沿って湾曲した鞍型形状とし、前記コイルの中心線を、前記坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に120〜180mm離れた位置に設定し、前記コイルにより印加する磁場強度を3000Gaussとし、前記坩堝の回転数を1.5〜3rpmとするものである。
The single crystal growth method of the present invention has been completed on the basis of such knowledge, and a horizontal magnetic field is applied to the raw material melt stored in the crucible in the chamber by the coils arranged opposite to each other across the crucible. In the single crystal growth method for pulling a single crystal from the raw material melt, the shape of the coil is a saddle shape that is curved along the outer shape of the chamber, and the center line of the coil is the raw material melt in the crucible. It is set at a position 120 to 180 mm away from the surface of the liquid in the depth direction, the magnetic field strength applied by the coil is 3000 Gauss, and the rotation speed of the crucible is 1.5 to 3 rpm .

本発明の単結晶成長方法においては、原料融液の表面からその下のコイル中心線までの距離が100mm以上(120〜180mm)に設定されたことにより、坩堝内の残液量に関係なく、また坩堝回転数に関係なく、鞍型コイルを使用した場合に特有の結晶径の急増現象が回避される。即ち、原料融液の表面からその下のコイル中心線までの距離が100mm未満の場合は、原料融液の表面より下にコイルの中心線が位置していても、坩堝内の残液量や坩堝回転数によっては、結晶径の急増現象が発生する懸念がある。
In single crystal growth method of the present invention, by the distance from the surface of the material melt to the coil center line below it is set on 1 300 mm or more (120~180mm), related to the residual amount of liquid in the crucible In addition, regardless of the number of revolutions of the crucible, the phenomenon of a sharp increase in crystal diameter that is peculiar when a saddle coil is used is avoided. That is, when the distance from the surface of the material melt to the coil center line beneath it is less than 1 300 mm, even if the center line of the coil below the surface of the raw material melt is located, the residual liquid in the crucible Depending on the amount and the number of rotations of the crucible, there is a concern that a phenomenon of a rapid increase in crystal diameter may occur.

前記距離の上限については200mm以下が好ましい。なぜなら、原料融液の表面からその下のコイル中心線までの距離は、コイルサイズや坩堝サイズにも依存するが、コイル中心線が融液の表面より下に位置した場合、融液内における磁束の水平方向分布が乱れ、有転位化が生じやすくなる傾向があるため、コイル中心線を下げすぎるのは好ましくないからである。本発明では前記距離の範120〜180mmとする。
The upper limit of the distance is preferably 200 mm or less. This is because the distance from the surface of the raw material melt to the coil center line below it depends on the coil size and the crucible size, but if the coil center line is located below the surface of the melt, the magnetic flux in the melt This is because it is not preferable that the coil center line is lowered too much because the horizontal distribution of the coil tends to be disturbed and dislocations tend to occur. The present invention shall be the 120~180mm the range of the distance.

また、本発明の単結晶成長方法においては、コイル中心線を、坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に100mm以上(120〜180mm)離れた位置に設定するため、結晶中の酸素濃度が上昇し、坩堝回転数を上昇させずに酸素濃度の増大が可能になる。その結果、坩堝回転数の上昇による酸素濃度の面内分布の悪化が防止される。また、そのコイル中心線を上下方向に移動させれば、コイル位置以外の酸素濃度制御パラメータ(坩堝回転数、炉内圧、不活性ガス流量など)を大きく変更せずとも、結晶中の酸素濃度の制御が可能になる。
In the single crystal growth method of the present invention, the coil center line is set at a position 100 mm or more (120 to 180 mm) away from the surface of the raw material melt in the crucible in the depth direction. As a result, the oxygen concentration can be increased without increasing the number of revolutions of the crucible. As a result, the deterioration of the in-plane distribution of the oxygen concentration due to the increase in the number of revolutions of the crucible is prevented. Also, if the coil center line is moved in the vertical direction, the oxygen concentration control parameters other than the coil position (crucible rotation speed, furnace pressure, inert gas flow rate, etc.) do not change significantly, Control becomes possible.

本発明の単結晶成長方法は、鞍型コイルを用いたHMCZ法のなかでも結晶径の急増が発生しやすい、内径500mm以上の大口径坩堝を用いた直径200mm以上の大径単結晶の引上げに特に有効である。   The single crystal growth method of the present invention is used to pull a large-diameter single crystal having a diameter of 200 mm or more using a large-diameter crucible having an inner diameter of 500 mm or more, which is likely to cause a rapid increase in crystal diameter even in the HMCZ method using a saddle coil. It is particularly effective.

なお、コイル中心線を原料融液の表面より下方に位置させる技術は、平面的なコイルを使用する通常のHMCZ法では、特許文献3により公知である。しかし、この技術は、原料融液へ印加される磁場強度の均一性向上を目的としており、鞍型コイルを使用するHMCZ法に固有の問題である結晶径の突然の急増現象を阻止することについては、何らの示唆もしていない。   A technique for positioning the coil center line below the surface of the raw material melt is known from Patent Document 3 in a normal HMCZ method using a planar coil. However, this technology aims to improve the uniformity of the magnetic field strength applied to the raw material melt, and prevents the sudden increase in crystal diameter, which is a problem inherent to the HMCZ method using a saddle coil. Does not make any suggestion.

本発明の単結晶成長方法は、鞍型コイルを使用することにより、コイルを小型化できる。また、その鞍型コイルの中心線を、坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に100mm以上(120〜180mm)離れた位置に設定することにより、鞍型コイルを用いたHMCZ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止して、安定な結晶引上げを可能にする。更に、このコイル中心線の設定により、坩堝回転数を高めずに酸素濃度を上昇させることができ、HMCZ法で坩堝回転数を高めたときに問題となる酸素濃度の面内分布悪化を回避できる効果もある。
The single crystal growth method of the present invention can reduce the size of the coil by using a saddle type coil. In addition, the center line of the saddle coil is set at a position that is 100 mm or more (120 to 180 mm) away from the surface of the raw material melt in the crucible in the depth direction, thereby causing a problem in the HMCZ method using the saddle coil. This prevents the sudden increase in crystal diameter during pulling and enables stable crystal pulling. Further, avoided by setting the coil center line of this, it is possible to increase the oxygen concentration without increasing the crucible rotation speed, the in-plane distribution deterioration of the oxygen concentration in question when the increased number of crucible rotations in HMCZ method There is also an effect that can be done.

本発明の単結晶成長方法を実施するのに適した結晶成長装置の模式断面図である。It is a schematic cross section of a crystal growth apparatus suitable for carrying out the single crystal growth method of the present invention. 同結晶成長装置の平面図である。It is a top view of the crystal growth apparatus. 結晶径の急増現象の発生条件を示す図表である。It is a graph which shows the generation | occurrence | production conditions of the crystal diameter rapid increase phenomenon. 融液表面からコイル中心線までの距離と結晶中の酸素濃度との関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the distance from a melt surface to a coil centerline, and the oxygen concentration in a crystal | crystallization. 融液表面からコイル中心線までの距離が50mmと150mmの場合について結晶軸方向の酸素濃度分布を示す図表である。It is a graph which shows oxygen concentration distribution of a crystal axis direction about the case where the distance from a melt surface to a coil centerline is 50 mm and 150 mm. 融液表面からコイル中心線までの距離が50mmと150mmの場合について結晶軸方向の酸素濃度分布を示す図表である。It is a graph which shows oxygen concentration distribution of a crystal axis direction about the case where the distance from a melt surface to a coil centerline is 50 mm and 150 mm. CZ法の概念図である。It is a conceptual diagram of the CZ method. HMCZ法に使用される結晶成長装置の模式断面図である。It is a schematic cross section of the crystal growth apparatus used for HMCZ method. 同結晶成長装置の平面図である。It is a top view of the crystal growth apparatus.

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の単結晶成長方法を実施するのに適した結晶成長装置の模式断面図、図2は同結晶成長装置の平面図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view of a crystal growth apparatus suitable for carrying out the single crystal growth method of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the crystal growth apparatus.

本結晶成長装置は、チャンバ7として円筒形状のメインチャンバ7aと、その上に同心状に重ねられた細長い円筒形状のプルチャンバ7bとを備えている。メインチャンバ7a内の中心部には坩堝1が配置されている。坩堝1は内側の石英坩堝1aと、その外側に配置された黒鉛製の保持坩堝1bとからなり、ペディスタルと呼ばれる支持軸6の上に受け皿を介して載置されている。坩堝1の外側にはヒータ2が配置されている。メインチャンバ7a内には、更に断熱材8が配置されている。この断熱材8は、メインチャンバ7aの周壁内面に沿って配設された第1の断熱材8aと、メインチャンバ7aの底部表面に沿って配設された第2の断熱材8bとからなる。   The present crystal growth apparatus includes a cylindrical main chamber 7a as a chamber 7 and an elongated cylindrical pull chamber 7b concentrically stacked thereon. A crucible 1 is disposed in the center of the main chamber 7a. The crucible 1 includes an inner quartz crucible 1a and a graphite holding crucible 1b arranged outside the crucible 1 and is placed on a support shaft 6 called a pedestal via a tray. A heater 2 is disposed outside the crucible 1. A heat insulating material 8 is further disposed in the main chamber 7a. The heat insulating material 8 includes a first heat insulating material 8a disposed along the inner surface of the peripheral wall of the main chamber 7a and a second heat insulating material 8b disposed along the bottom surface of the main chamber 7a.

一方、プルチャンバ7b内には、ワイヤからなる引上げ軸5が当該プルチャンバを貫通して垂下されており、その下端には種結晶15が装着されている。引上げ軸5は、結晶引上げのために、プルチャンバ上に設けられた図示されない回転巻き上げ機構により回転及び引き上げ駆動される。   On the other hand, a pulling shaft 5 made of a wire is suspended in the pull chamber 7b through the pull chamber, and a seed crystal 15 is attached to the lower end thereof. The pulling shaft 5 is rotated and pulled up by a rotary winding mechanism (not shown) provided on the pull chamber for pulling the crystal.

他方、メインチャンバ7aの外側には、中心線を水平方向に向けた一組のコイル30a,30bが、該メインチャンバを挟んで対称的に対向配置されている。これらのコイル30a,30bは、メインチャンバ7a内の坩堝位置に水平方向の磁場を生成する超電導磁石を構成しており、チャンバ7の垂直な中心線と交差する水平線上に同軸配置されている。そして、これらのコイル30a,30bは、メインチャンバ7aの外形に沿って水平方向に湾曲した鞍型コイルとされており、少なくとも引上げ中は、図示されない昇降機構により、双方のコイル中心を結ぶコイル中心線C−Cが、坩堝1内の融液表面から下方へ100mm以上離れたところに位置するように、その高さが調整される。
On the other hand, on the outside of the main chamber 7a, a pair of coils 30a and 30b with the center line oriented in the horizontal direction are symmetrically opposed to each other across the main chamber. These coils 30 a and 30 b constitute a superconducting magnet that generates a horizontal magnetic field at the crucible position in the main chamber 7 a, and are coaxially arranged on a horizontal line that intersects the vertical center line of the chamber 7. The coils 30a and 30b are saddle-shaped coils that are curved in the horizontal direction along the outer shape of the main chamber 7a. At least during pulling, the coil center that connects both coil centers by a lifting mechanism (not shown). line C-C is to be located Toko filtered away over 100mm from the surface of the melt in the crucible 1 downward, its height is adjusted.

次に、本結晶成長装置を用いて直径が300mmのシリコン単結晶を成長させる方法について説明する。   Next, a method for growing a silicon single crystal having a diameter of 300 mm using the present crystal growth apparatus will be described.

チャンバ7内を25Torrに減圧し、そのチャンバ7内に不活性ガスとしてArを100L/minの流量で導入した。そして、坩堝1内に充填されていた結晶用シリコン原料及び不純物としてのボロンをヒータ2で溶融させた。その後、種結晶15を坩堝1内のシリコン融液13に浸け、ネック部12a、シヨルダー部12b及び直胴部12cの順に単結晶12を成長させた。コイル30a,30bによる磁場強度は3000Gauss(0.3テスラ)とした。目標とする直胴部12cの引上げ長さは1150mmである。   The inside of the chamber 7 was depressurized to 25 Torr, and Ar was introduced into the chamber 7 as an inert gas at a flow rate of 100 L / min. Then, the silicon raw material for crystal and the boron as an impurity filled in the crucible 1 were melted by the heater 2. Thereafter, the seed crystal 15 was immersed in the silicon melt 13 in the crucible 1, and the single crystal 12 was grown in the order of the neck portion 12a, the shoulder portion 12b, and the straight body portion 12c. The magnetic field intensity by the coils 30a and 30b was 3000 Gauss (0.3 Tesla). The target pull-up length of the straight body 12c is 1150 mm.

比較のために、シリコン融液13の表面から、その下のコイル30a,30bの中心線C−Cまでの距離Lを、100mmより小さい50mmに設定して、結晶成長を行った。直胴部12cの引上げ中の引上げ軸5の回転数/坩堝1の回転数を8rpm/3rpmに設定したところ、直胴部長が120mmの段階で結晶径の急増が発生した。直胴部12cの引上げ中の引上げ軸5の回転数/坩堝1の回転数を8rpm/1.5rpmに設定した場合は、残液量が少ない直胴部長が580mmの段階で結晶径の急増が発生した。
For comparison, the surface of the silicon melt 13, the coil 30a of the underlying, the distance L to the center line C-C of 30b, is set to 100mm smaller than 50 m m, was subjected to crystal growth. When the number of rotations of the pulling shaft 5 during the pulling of the straight body part 12c / the number of rotations of the crucible 1 was set to 8 rpm / 3 rpm, a sharp increase in crystal diameter occurred when the length of the straight body part was 120 mm. When the number of rotations of the pulling shaft 5 during the pulling up of the straight body 12c / the number of rotations of the crucible 1 is set to 8 rpm / 1.5 rpm, the crystal diameter rapidly increases when the length of the straight body having a small residual liquid amount is 580 mm. Occurred.

これらに対し、シリコン融液13の表面から、その下のコイル30a,30bの中心線C−Cまでの距離Lを、100mmより大きい150mmに設定して、同じ回転条件で結晶成長を行った。何れの回転条件においても、結晶成長を終えるまで結晶径の急増は発生しなかった。
On the other hand, the distance L from the surface of the silicon melt 13 to the center line C-C of the coils 30a and 30b below it was set to 150 mm larger than 100 mm, and crystal growth was performed under the same rotation conditions. . Under any rotation condition, the crystal diameter did not increase rapidly until the crystal growth was completed.

また、シリコン融液13の表面から、その下のコイル30a,30bの中心線C−Cまでの距離Lが50mmと150mmの場合につき、前述した2種類の回転条件で結晶育成したときの、結晶酸素濃度を調査した。結果を図5及び図6に示す。   In addition, when the distance L from the surface of the silicon melt 13 to the center line C-C of the coils 30a and 30b below is 50 mm and 150 mm, the crystal is grown under the two types of rotation conditions described above. The oxygen concentration was investigated. The results are shown in FIGS.

両図から分かるように、坩堝回転数が増大することにより酸素濃度が上昇するが、その一方で、坩堝回転数が3rpmの場合も1.5rpmの場合もコイル中心線を下げることにより酸素濃度が上昇する。具体的には、コイル中心線が融液表面から150mmのところに設定した方が、同じく50mmの場合よりも、坩堝回転数が3rpmの場合で2〜3×1017atoms/cc(old ASTM)、坩堝回転数が1.5rpmの場合で1.5〜2×1017atoms/cc(old ASTM)、それぞれ酸素濃度が上昇するのである。 As can be seen from both figures, the oxygen concentration increases as the number of revolutions of the crucible increases. On the other hand, the oxygen concentration decreases by lowering the coil center line when the number of revolutions of the crucible is 3 rpm or 1.5 rpm. To rise. Specifically, when the coil center line is set at 150 mm from the melt surface, it is 2 to 3 × 10 17 atoms / cc (old ASTM) when the crucible rotation speed is 3 rpm than when the coil center line is 50 mm. When the crucible rotation speed is 1.5 rpm, the oxygen concentration increases 1.5 to 2 × 10 17 atoms / cc (old ASTM).

HMCZ法においては、坩堝回転数が高くなると、融液が坩堝と共に回転しようとする作用と、その融液が磁場の影響により停止しようとする作用とが同時に起こるため、融液は不安定になる。このため、HMCZ法において採用する坩堝回転数は低い方が望ましいとされている。鞍型コイルの中心線を下げると、酸素濃度が上昇するので、結晶成長後半で坩堝回転数を高くせずとも、結晶軸方向で酸素濃度を均一化できる。   In the HMCZ method, when the rotation speed of the crucible increases, the melt tends to rotate with the crucible and the melt tries to stop due to the influence of the magnetic field, so the melt becomes unstable. . For this reason, the crucible rotation speed adopted in the HMCZ method is desirably lower. When the center line of the saddle coil is lowered, the oxygen concentration increases, so that the oxygen concentration can be made uniform in the crystal axis direction without increasing the crucible rotation speed in the latter half of the crystal growth.

本発明の単結晶成長方法によれば、鞍型コイルを使用することにより、コイルを小型化できる。また、その鞍型コイルの中心線を、坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に100mm以上(120〜180mm)離れた位置に設定することにより、鞍型コイルを用いたHMCZ法において問題となる引上げ中の結晶径の急増現象を阻止して、安定な結晶引上げを可能にする。更に、このコイル中心線の設定により、坩堝回転数を高めずに酸素濃度を上昇させることができ、HMCZ法で坩堝回転数を高めたときに問題となる酸素濃度の面内分布悪化を回避できる効果もある。したがって、本発明の単結晶成長方法は、半導体基板材料の分野において極めて有用な技術である。
According to the single crystal growth method of the present invention, the coil can be reduced in size by using the saddle type coil. In addition, the center line of the saddle coil is set at a position that is 100 mm or more (120 to 180 mm) away from the surface of the raw material melt in the crucible in the depth direction, thereby causing a problem in the HMCZ method using the saddle coil. This prevents the sudden increase in crystal diameter during pulling and enables stable crystal pulling. Further, avoided by setting the coil center line of this, it is possible to increase the oxygen concentration without increasing the crucible rotation speed, the in-plane distribution deterioration of the oxygen concentration in question when the increased number of crucible rotations in HMCZ method There is also an effect that can be done. Therefore, the single crystal growth method of the present invention is a very useful technique in the field of semiconductor substrate materials.

1 坩堝、 2 ヒータ、 5 引上げ軸、 7 チャンバ、 12 単結晶、 13 原料融液、 15 種結晶、 30a,30b コイル 1 crucible, 2 heater, 5 pulling shaft, 7 chamber, 12 single crystal, 13 raw material melt, 15 seed crystal, 30a, 30b coil

Claims (1)

坩堝を挟んで対向配置されたコイルにより、チャンバ内の坩堝に収容された原料融液に水平磁場を印加しつつ、前記原料融液から単結晶を引上げる単結晶成長方法において、前記コイルの形状を、前記チャンバの外形に沿って湾曲した鞍型形状とし、前記コイルの中心線を、前記坩堝内の原料融液の表面から深さ方向に120〜180mm離れた位置に設定し、前記コイルにより印加する磁場強度を3000Gaussとし、前記坩堝の回転数を1.5〜3rpmとすることを特徴とする単結晶成長方法。 In the single crystal growth method of pulling a single crystal from the raw material melt while applying a horizontal magnetic field to the raw material melt accommodated in the crucible in the chamber by a coil arranged opposite to the crucible, the shape of the coil Is a saddle shape that is curved along the outer shape of the chamber, and the center line of the coil is set at a position 120 to 180 mm away from the surface of the raw material melt in the crucible in the depth direction. A method of growing a single crystal , wherein the applied magnetic field intensity is 3000 Gauss, and the crucible rotation speed is 1.5-3 rpm .
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